■ 劉鈞 張彬彬 呂寶磊

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣象站系統(tǒng)新框架，包括兩層，分別是設(shè)備層和應(yīng)用層。模擬信號(hào)采集、氣象要素計(jì)算和數(shù)據(jù)格式化輸出等功能位于設(shè)備前端（設(shè)備層）；應(yīng)用層由至少一個(gè)嵌入式系統(tǒng)組成，可用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、極值統(tǒng)計(jì)、信息發(fā)布以及其他復(fù)雜功能。新框架的設(shè)備層聚焦于觀測(cè)穩(wěn)定性，而應(yīng)用層關(guān)注功能擴(kuò)展。隨著嵌入式軟件的不斷豐富，地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)將變得越來越智能。

綜合氣象觀測(cè)是構(gòu)建現(xiàn)代化的氣象業(yè)務(wù)體系的基礎(chǔ)，而加快實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化是綜合氣象觀測(cè)的基礎(chǔ)和重要組成部分。經(jīng)過20年左右的快速發(fā)展，我國已經(jīng)初步建成了以自動(dòng)氣象站為主體的較大規(guī)模的地面氣象綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。華云研發(fā)并推廣了兩代自動(dòng)氣象站，目前正在致力于第三代自動(dòng)氣象站的研制。第一代自動(dòng)氣象站（圖1）起步于20世紀(jì)90年代，以系統(tǒng)集成技術(shù)為主，采用工業(yè)上通用的數(shù)據(jù)采集器，將溫度、濕度、氣壓、降水、風(fēng)向、風(fēng)速等傳感器的電信號(hào)采集下來，轉(zhuǎn)換為氣象要素觀測(cè)值，通過計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件形成各種氣象報(bào)文和報(bào)表，不足之處是觀測(cè)要素的擴(kuò)展比較困難。

圖1 CAWS600自動(dòng)氣象站

第二代自動(dòng)氣象站起步于2008年，采用了控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller area network，CAN）總線的連接方法（圖2）。一個(gè)主采集器可以串接多個(gè)分采集器，使得傳感器接入的靈活性大大增強(qiáng)，同時(shí)具備了一定的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制功能，這種專用氣象裝備在業(yè)務(wù)上得到了較為普遍的應(yīng)用，不足之處是安裝、使用比較復(fù)雜，維護(hù)成本也比較高。隨著電子和信息技術(shù)的進(jìn)步，氣象傳感器也正朝著高精度、數(shù)字化、高可靠、微功耗、微型化方向發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟和大規(guī)模運(yùn)用，給自動(dòng)氣象站的升級(jí)換代帶來了新的機(jī)遇。

圖2 基于CAN總線的CAWS3000自動(dòng)氣象站系統(tǒng)框架

得益于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanism system，MEMS）、片上系統(tǒng)（System on chip，SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network，WSN）的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建地面綜合觀測(cè)系統(tǒng)的總體思路，設(shè)計(jì)了一款地面綜合觀測(cè)智能站的實(shí)現(xiàn)模型，可實(shí)時(shí)完成對(duì)各氣象觀測(cè)要素的連續(xù)采集、數(shù)據(jù)處理及傳輸、信息發(fā)布與分析，并可基于相應(yīng)數(shù)據(jù)建模開展設(shè)備診斷和維護(hù)，為數(shù)值預(yù)報(bào)提供更快捷可靠的支撐，將地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化向前再推進(jìn)一步，為機(jī)器觀測(cè)最終替代人工觀測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)框架

自動(dòng)氣象站的一種智能化框架如圖3所示，該模型顯示出每個(gè)功能區(qū)的連通性，不同角色的用戶可以在不同的層面介入對(duì)系統(tǒng)的操作。在這個(gè)新的智能化框架中，以網(wǎng)關(guān)為分界面，整個(gè)系統(tǒng)分為上下兩層，上層為應(yīng)用層，下層為設(shè)備層。模擬信號(hào)采集、氣象要素計(jì)算和數(shù)據(jù)格式化輸出等功能位于設(shè)備前端（設(shè)備層）。應(yīng)用層由至少一個(gè)嵌入式系統(tǒng)組成，可用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、極值統(tǒng)計(jì)、信息發(fā)布以及其他復(fù)雜功能。網(wǎng)關(guān)不屬于兩者中的任意一層，但卻是一個(gè)非常重要的設(shè)備，上下層之間采用不同的通信協(xié)議進(jìn)行通信的時(shí)候，需要配置支持相應(yīng)協(xié)議的網(wǎng)關(guān)。

圖3 新一代自動(dòng)氣象站的智能化框架

1.1 設(shè)備層

設(shè)備層以嵌入式系統(tǒng)為中心，外圍聚集了一批智能網(wǎng)絡(luò)化傳感單元。嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于控制、監(jiān)視或輔助完成特定的自動(dòng)化或智能化任務(wù)。設(shè)備層包含一大批不同觀測(cè)要素的智能網(wǎng)絡(luò)化傳感單元，而每個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)化傳感單元都由采集模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊等部分構(gòu)成。通過以上4個(gè)模塊的協(xié)作，智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器可以具有自檢測(cè)、自修正、自保護(hù)功能，計(jì)算上的判斷、決策、格式化輸出功能，以及通信上的雙向數(shù)字通信功能。圖4為設(shè)備層邏輯框圖。

采集模塊是傳感單元的核心，傳感器將反映氣象要素的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，不同要素具有不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度和延時(shí)性。處理模塊由處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、接口和系統(tǒng)軟件組成，一般采用低功耗芯片。通信模塊由射頻電路和無線天線組成，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。電源模塊為系統(tǒng)提供電源，相關(guān)電源管理軟件運(yùn)行在處理模塊，用于動(dòng)態(tài)電源管理，比如，通過休眠、低功耗運(yùn)算來延長(zhǎng)電池壽命。

圖4 設(shè)備層邏輯框圖

1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層是應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)之間的直接接口，使得用戶能夠與設(shè)備進(jìn)行交互，該層具有各種應(yīng)用程序，可以完成和實(shí)現(xiàn)用戶關(guān)心的各種服務(wù)功能。圖5為應(yīng)用層邏輯框圖。

1）數(shù)據(jù)服務(wù)。用戶建立觀測(cè)系統(tǒng)的主要目的就是獲取數(shù)據(jù)，這是應(yīng)用層所要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能。狹義的數(shù)據(jù)服務(wù)是指通過本系統(tǒng)建立的網(wǎng)絡(luò)訪問端口，將觀測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)文推送給用戶。而廣義的數(shù)據(jù)服務(wù)，可以是將本氣象站納入到一個(gè)更大的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)下，實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)從觀測(cè)系統(tǒng)向預(yù)報(bào)系統(tǒng)或氣象服務(wù)系統(tǒng)的遷移。借助大數(shù)據(jù)分析或云平臺(tái)管理，我們能實(shí)現(xiàn)許多以前難以想象的服務(wù)功能。廣義的數(shù)據(jù)服務(wù)可以讓我們離智慧氣象更近一步，限于篇幅，不在這里贅述。

2）識(shí)別和組網(wǎng)服務(wù)。主要用于提高自動(dòng)氣象站的建設(shè)者和維護(hù)者的工作效率。系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成方式，事先得到授權(quán)的地面氣象觀測(cè)傳感器能夠被智能氣象站自動(dòng)識(shí)別，未獲授權(quán)的傳感器也能被系統(tǒng)判別和自動(dòng)排除，避免非法接入。同時(shí)，采用多網(wǎng)關(guān)技術(shù)或雙控制器熱備份工作模式，傳感器和終端設(shè)備能夠自動(dòng)選擇路由接入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建氣象觀測(cè)場(chǎng)可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)同步。

3）狀態(tài)和診斷服務(wù)。通過該服務(wù)接口，自動(dòng)氣象站的狀態(tài)信息報(bào)告能夠?qū)崟r(shí)生成，部件故障能夠自動(dòng)報(bào)警，且具備數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及信息推送等功能。用戶能夠通過運(yùn)行在各種智能終端上的診斷程序與設(shè)備深度交互，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)維修。

4）計(jì)量檢定服務(wù)。通過提供計(jì)量檢定設(shè)備接口，內(nèi)置計(jì)量校準(zhǔn)參數(shù)配置模塊，能夠與各種自動(dòng)檢定裝置密切配合，如雨量校準(zhǔn)儀，便捷高效地完成各要素傳感器的現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室標(biāo)校過程。

5）其他服務(wù)。在這種新的架構(gòu)之下，應(yīng)用層的服務(wù)接口還可以不斷被創(chuàng)造和開發(fā)出來，這正是這一新框架的魅力所在。

2 運(yùn)用的主要技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

2.1 運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

WSN是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)比傳統(tǒng)的傳感器應(yīng)用方式優(yōu)勢(shì)明顯，具有更好的精確性、靈活性、可靠性和性價(jià)比。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式處理器技術(shù)、分布式信息集成技術(shù)和通信技術(shù)，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，各節(jié)點(diǎn)間具有自組織和協(xié)同工作的能力，可避免單點(diǎn)實(shí)效和實(shí)現(xiàn)密集空間采樣。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備的安裝、更換和使用非常方便，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。從傳輸特性、服務(wù)質(zhì)量（Quality of service，QoS）要求、移動(dòng)性等方面，為了確保WSN能連續(xù)有效地工作，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的公平性，盡量實(shí)現(xiàn)能量的均衡分布。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IOT）接入技術(shù)體系可以靈活支持各種規(guī)模的WSN網(wǎng)絡(luò)?？梢杂蒞SN節(jié)點(diǎn)通過分層匯聚成一定規(guī)模的WSN網(wǎng)絡(luò)，再接入移動(dòng)通信系統(tǒng)；也可以由移動(dòng)基站直接連接帶有移動(dòng)終端功能的傳感器，此時(shí)這些傳感器既是WSN節(jié)點(diǎn)，也是WSN網(wǎng)關(guān)。IOT利用射頻識(shí)別（Radio frequency identification，RFID）、WSN、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，能夠構(gòu)造一個(gè)廣泛覆蓋的巨大信息網(wǎng)絡(luò)。

2.2 運(yùn)用IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)

電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）聯(lián)合推出IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了傳感器、轉(zhuǎn)換器、機(jī)械、網(wǎng)絡(luò)及實(shí)現(xiàn)兼容和互換的轉(zhuǎn)換器間的公共接口，建立了通用智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的框架，解決了不同智能傳感器之間的互操作性和互換性等問題，可以使得傳感器制造商簡(jiǎn)化接口的設(shè)計(jì)，更加專注于傳感器本身的研發(fā)。該標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，IP傳感器（基于嵌入式因特網(wǎng)的智能傳感器）在IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對(duì)智能傳感器信息模型進(jìn)行了二次開發(fā)，保留了IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的智能變送器接口模塊（Smart transducer interface module，STIM）結(jié)構(gòu)和功能，并對(duì)電子數(shù)據(jù)表格（Transducer electronic data sheet，TEDS）進(jìn)行了擴(kuò)展，以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，降低了使用門檻和成本。

氣象要素傳感器輸出信號(hào)類型有數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、電路參數(shù)信號(hào)等。為了使傳感器模塊能適應(yīng)氣象業(yè)務(wù)中的各種氣象要素觀測(cè)，STIM需要根據(jù)傳感器類型實(shí)現(xiàn)前端信號(hào)調(diào)理電路的重構(gòu)，會(huì)用到程控增益放大等電子技術(shù)。在高性能嵌入式微控制器模塊的控制下，能實(shí)現(xiàn)氣象要素傳感器信號(hào)的采集、處理以及傳感器的熱插拔、自動(dòng)識(shí)別、自檢、自校準(zhǔn)、自調(diào)零等功能。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊中集成的ZigBee子模塊和TCP/IP子模塊，能幫助智能傳感器適應(yīng)多種通信網(wǎng)絡(luò)。所采用的技術(shù)路線見圖6。

圖6 傳感器智能化技術(shù)路線框圖

3 CAWSmart智能氣象站

采用全新的氣象站地面觀測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，我們研制了CAWSmart智能氣象站，它全面兼容WMO CIMO指南和《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。它實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)地面氣象數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和傳送等功能，容錯(cuò)能力超強(qiáng)，具有非凡的穩(wěn)定性和可靠性。

主控制器采用了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，其核心是高性能32位微處理器，能夠確保系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。通過傳感器智能化技術(shù)和主控制器技術(shù)的合理應(yīng)用，構(gòu)建了智能氣象站系統(tǒng)架構(gòu)可靠性的基礎(chǔ)。產(chǎn)品及其構(gòu)成如圖7所示。

該系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雨量、氣壓、地溫、土壤水分、凍土、蒸發(fā)、雪深、總輻射、凈輻射、反射輻射、散射輻射、直接輻射、日照、云量、云高、能見度、凍雨、天氣現(xiàn)象等氣象要素進(jìn)行全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可同時(shí)滿足天氣和氣候觀測(cè)的需要。降水類和地面凝結(jié)類天氣現(xiàn)象可由傳感器直接給出，其他類型天氣現(xiàn)象可由系統(tǒng)綜合判別算法給出。該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)傳感器可自動(dòng)識(shí)別接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)智能組網(wǎng)，用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需要選用相關(guān)要素的傳感器及輔助設(shè)備，可以很便捷地組配出適合于不同臺(tái)站業(yè)務(wù)類型的專業(yè)觀測(cè)站。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的傳感器智能化技術(shù)，具備自動(dòng)調(diào)零、補(bǔ)償、校準(zhǔn)、質(zhì)量控制、設(shè)備狀態(tài)報(bào)告和自診斷等功能，采用低功耗、高精度、高穩(wěn)定性的電子測(cè)量技術(shù)和短距離無線通信技術(shù)，為地面氣象觀測(cè)從自動(dòng)化升級(jí)換代到智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。產(chǎn)品測(cè)量性能指標(biāo)見表1。

圖7 CAWSmart智能氣象站、數(shù)據(jù)收集中心軟件及APP

該系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)自動(dòng)氣象站具有如下新的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1）模塊化更徹底，對(duì)數(shù)據(jù)采集器單元、傳感器處理單元進(jìn)行了智能化封裝，并實(shí)現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)采集器單元、傳感器處理單元部件的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)接入、自動(dòng)檢查等功能。

表1 傳感器測(cè)量技術(shù)指標(biāo)

2）安全性更強(qiáng)，運(yùn)用了標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議棧技術(shù)以及微電子芯片技術(shù)固化標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議棧，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)一性和安全性。

3）監(jiān)控更便捷，采用自檢、自診斷、自校準(zhǔn)技術(shù)，提升了數(shù)據(jù)采集器和傳感器的監(jiān)控功能，大大加強(qiáng)了地面觀測(cè)站的維護(hù)保障能力。

4）充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建氣象專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、專用的嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)。

5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，便于安裝和部署，滿足惡劣環(huán)境條件下全天候不間斷運(yùn)行。

4 小結(jié)

智能化觀測(cè)技術(shù)有可能徹底改變目前自動(dòng)氣象站觀測(cè)系統(tǒng)的布局和觀測(cè)業(yè)務(wù)的管理運(yùn)行方式，尤其是在觀測(cè)自動(dòng)化、無人值守、計(jì)量檢定業(yè)務(wù)管理方面會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，進(jìn)而顯著提高氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)有效性、準(zhǔn)確性，減少觀測(cè)人員的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度；完成的新觀測(cè)方法研究和新技術(shù)產(chǎn)品的定型，對(duì)于推進(jìn)地面氣象觀測(cè)全自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程能夠起到非常重要的作用。

本文設(shè)計(jì)的基于WSN的地面綜合觀測(cè)系統(tǒng)可靠性高、功耗低、擴(kuò)展性好、成本可控，能夠及時(shí)有效地獲取各種地面觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)。無線傳感器地面綜合觀測(cè)模型，能有效地監(jiān)測(cè)各種地球表面氣象環(huán)境要素，為地球綜合觀測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供一種新的技術(shù)手段，具有強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿?，推廣應(yīng)用可望產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景；因其代表了融合的趨勢(shì)，蘊(yùn)含著融合所帶來的巨大創(chuàng)新空間，以及融合后產(chǎn)生的巨大價(jià)值。

深入閱讀

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